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DE102015107718B4 - Device and method for securing an electrical system component of a vehicle electrical system - Google Patents

Device and method for securing an electrical system component of a vehicle electrical system Download PDF

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DE102015107718B4
DE102015107718B4 DE102015107718.3A DE102015107718A DE102015107718B4 DE 102015107718 B4 DE102015107718 B4 DE 102015107718B4 DE 102015107718 A DE102015107718 A DE 102015107718A DE 102015107718 B4 DE102015107718 B4 DE 102015107718B4
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semiconductor switch
electrical
vehicle
malfunction
electrical system
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Michael Wortberg
Anton BACHMEIER
Anton Ederer
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Lisa Draexlmaier GmbH
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Lisa Draexlmaier GmbH
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    • GPHYSICS
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Abstract

Vorrichtung (1) zum Absichern von wenigstens einer sicherheitsrelevanten Bordnetz-Komponente (2, 3) eines Fahrzeug-Bordnetzes, aufweisend:- wenigstens einen Halbleiterschalter (4), der mit der wenigstens einen Bordnetz-Komponente (2, 3) elektrisch leitfähig verbunden ist,- einen Schaltkreis (8), der mit dem Halbleiterschalter (4) elektrisch leitfähig verbunden ist und der eine Erfassungseinrichtung (9) zur Erfassung einer elektrischen Fehlfunktion des Fahrzeug-Bordnetzes sowie eine Ansteuereinrichtung (14) zum Ansteuern des Halbleiterschalters (4) aufweist, und- eine Steuereinheit (20), die zumindest mit dem Schaltkreis (8) kommunikationsfähig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) dazu eingerichtet ist,- den Halbleiterschalter (4) in Abhängigkeit von der Erfassung einer vorbestimmten elektrischen Fehlfunktion in einen ersten Sicherheitszustand, in dem der Halbleiterschalter (4) ausgeschaltet ist, zu schalten, um die Bordnetz-Komponente (2, 3) vor elektrischen Überlasten zu schützen, und ferner- in Abhängigkeit von einer transienten zweiten elektrischen Fehlfunktion und wenigstens einem vorbestimmten Fahrzeugzustand in einen zweiten Sicherheitszustand zu schalten, in dem der Halbleiterschalter (4) eingeschaltet ist, um eine verfügbarkeitsrelevante Versorgung der Bordnetz-Komponente (2, 3) sicherzustellen, und ferner dass der Schaltkreis (8) eine Fehlfunktionsabschalteinrichtung (19) aufweist, die eingerichtet ist, den Halbleiterschalter (4) in Abhängigkeit von der Erfassung einer dritten elektrischen Fehlfunktion zeitweise für etwa 50 µs bis etwa 150 µs in den ersten Sicherheitszustand zwangszuschalten.Device (1) for protecting at least one safety-relevant electrical system component (2, 3) of a vehicle electrical system, comprising: - at least one semiconductor switch (4) which is electrically conductively connected to the at least one electrical system component (2, 3) - A circuit (8) which is electrically conductively connected to the semiconductor switch (4) and which has a detection device (9) for detecting an electrical malfunction of the vehicle electrical system and a control device (14) for controlling the semiconductor switch (4), and - a control unit (20) which is connected at least to the circuit (8) capable of communication, characterized in that the device (1) is set up to convert the semiconductor switch (4) into one depending on the detection of a predetermined electrical malfunction first safety state, in which the semiconductor switch (4) is switched off, to switch to the electrical system component (2, 3) from electrical To protect overloads, and furthermore, depending on a transient second electrical malfunction and at least one predetermined vehicle state, to switch to a second safety state in which the semiconductor switch (4) is switched on in order to ensure an availability-relevant supply of the on-board electrical system components (2, 3) ensure, and further that the circuit (8) has a malfunction shutdown device (19) which is set up to forcibly switch the semiconductor switch (4) temporarily for about 50 microseconds to about 150 microseconds into the first safety state depending on the detection of a third electrical malfunction.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Absichern von wenigstens einer Bordnetz-Komponente eines Fahrzeug-Bordnetzes, insbesondere eines elektrischen Bordnetzes beziehungsweise Energie-Bordnetzes eines Kraft-, Hybrid- oder Elektrofahrzeus. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Absichern von wenigstens einer Bordnetz-Komponente eines solchen Fahrzeug-Bordnetzes.The present invention relates to a device for protecting at least one electrical system component of a vehicle electrical system, in particular an electrical electrical system or energy electrical system of a motor, hybrid or electric vehicle. The invention also relates to a method for protecting at least one on-board network component of such a vehicle on-board network.

Stand der TechnikState of the art

Aus der Praxis sind Fahrzeug-Bordnetze bekannt, die dazu dienen, eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern beziehungsweise Lasten mit elektrischer Energie zu versorgen. Zum Schalten dieser Lasten können beispielsweise Halbleiterschalter als so genannte High-Side-Schalter eingesetzt werden, die die jeweiligen Verbraucher wahlweise mit elektrischer Energie versorgen oder abschalten.Vehicle electrical systems are known from practice which are used to supply a large number of electrical consumers or loads with electrical energy. To switch these loads, for example, semiconductor switches can be used as so-called high-side switches, which optionally supply the respective loads with electrical energy or switch them off.

Des Weiteren ist aus der Praxis bekannt, dass in einem Fahrzeug-Bordnetz elektrische Überströme als elektrische Fehlfunktionen auftreten können, die beispielsweise durch eine Überlast oder einen elektrischen Kurzschluss verursacht werden. Bei den Kurzschlüssen können beispielsweise eine ungewünschte elektrische Verbindung zwischen einer Spannung führenden elektrischen Leitung und Masse oder eine unerwünschte elektrische Verbindung zwischen zwei eine elektrische Spannung führenden elektrischen Leitungen sporadisch oder dauerhaft sowie in unterschiedlicher Ausprägung auftreten. In jedem Fall ist es für die Funktionssicherheit eines Fahrzeugs erforderlich, das Fahrzeug-Bordnetz gegen unerwünschte elektrische Überströme und/oder Kurzschlüsse abzusichern. Damit soll insbesondere ein Schutz vor thermischer Überlastung gewährleistet werden.Furthermore, it is known from practice that electrical overcurrents can occur as electrical malfunctions in a vehicle electrical system, which are caused, for example, by an overload or an electrical short circuit. In the case of short circuits, for example, an undesired electrical connection between a voltage-carrying electrical line and ground or an undesired electrical connection between two electrical lines carrying an electrical voltage can occur sporadically or permanently and in different forms. In any case, it is necessary for the functional reliability of a vehicle to protect the vehicle electrical system against undesired electrical overcurrents and / or short circuits. This is intended in particular to ensure protection against thermal overload.

Ist der Schutz gegen thermische Überlast ein Sicherheitsziel gemäß der funktionalen Sicherheit, so darf die Restfehlerwahrscheinlichkeit, dass dieses Sicherheitsziel durch die Vorrichtung nicht erreicht wird, nicht höher sein als eine vorgegeben Metrik (z.B. 100 Fit, Fehler in Time). Zu dem hierfür notwendigen Sicherheitskonzept gehört ein Diagnose-Abdeckungs-Grad von z.B. mindestens 90%. Latente Fehler, die dazu führen können, dass thermische Überlast nicht detektiert und abgeschaltet werden kann, müssen also zu 90% erkannt werden, bevor ein Schadensfall z.B. durch Kurzschluss eintritt. Erkennt die Diagnose, dass zum Beispiel die Kurzschlusserkennung nicht funktioniert, so liegt ein latenter Fehler vor. Der Fehler ist deshalb latent, da für den Eintritt eines Schadensfalls neben dem Ausfall der Kurzschlusserkennung noch das Eintreten eines Kurzschlusses hinzukommen muss. Wird von der Diagnose ein (latenter) Fehler erkannt, so muss die Vorrichtung in einen vordefinierten, sicheren Zustand gebracht werden. Beispielshaft ist für das Sicherheitsziel Schutz gegen thermische Überlast der sichere Zustand AUS (Abschalten Lastpfad).If protection against thermal overload is a safety goal in accordance with functional safety, the residual error probability that this safety goal will not be achieved by the device must not be higher than a specified metric (e.g. 100 Fit, Error in Time). The safety concept required for this includes a degree of diagnostic coverage of e.g. at least 90%. Latent errors, which can lead to a thermal overload not being detected and switched off, must therefore be recognized to 90% before damage occurs, e.g. due to a short circuit. If the diagnosis detects that, for example, the short-circuit detection is not working, then there is a latent error. The error is latent because, in addition to the failure of the short-circuit detection, the occurrence of a short-circuit must also occur in order for a damage case to occur. If the diagnosis detects a (latent) error, the device must be brought into a predefined, safe state. As an example, the safe state OFF (switching off the load path) is for the safety goal of protection against thermal overload.

Üblicherweise ist es deshalb für zahlreiche Fahrzeugfunktionen notwendig, dass diese beim Vorliegen einer solchen elektrischen Fehlfunktion in eine Art „Not-Aus“ als einzunehmenden Sicherheitszustand geschaltet werden, um dadurch den Sicherheitsanforderungen an ein Fahrzeug zu entsprechen. So wird beispielsweise ein Antiblockiersystem, bei dem eine elektrische Fehlfunktion vorliegt, zur (Fahr-) Sicherheit abgeschaltet und dies dem Fahrzeugführer signalisiert. Ein üblicher Sicherheitszustand für Fahrzeugfunktionen ist im Fehlerfall also das Zwangsabschalten der jeweiligen Fahrzeugfunktion.It is therefore usually necessary for numerous vehicle functions that they are switched to a kind of “emergency stop” as a safety state to be assumed when such an electrical malfunction occurs, in order to meet the safety requirements for a vehicle. For example, an anti-lock braking system in which there is an electrical malfunction is switched off for (driving) safety and this is signaled to the vehicle driver. In the event of a fault, a common safety condition for vehicle functions is the forced shutdown of the respective vehicle function.

Im Zusammenhang mit weitergehenden Fahrzeugfunktionen, wie sie beispielsweise für ein autonomes Fahren und/oder so genannte Drive-by-Wire-Systeme eines Fahrzeugs umgesetzt werden, hat es sich als beachtenswert erwiesen, dass als ein neues Sicherheitsziel die verfügbarkeitsrelevante Versorgung sicherheitskritischer Funktionen hinzukommt. Für dieses Sicherheitsziel ist auch eine Diagnoseabdeckung zu implementieren. Die Diagnose soll erkennen, ob die verfügbarkeitsrelevante Versorgung durch (latente) Fehler im System bedroht ist. Werden solche (latenten) Fehler erkannt, so muss der sichere Zustand eingenommen werden und der ist in diesem Fall AN oder zumindest so lange AN, bis das Fahrzeug sicher abgestellt werden kann und die verfügbarkeitsrelevante Funktion abgeschaltet werden kann.In connection with more extensive vehicle functions, such as those implemented for autonomous driving and / or so-called drive-by-wire systems of a vehicle, it has proven to be noteworthy that the availability-relevant supply of safety-critical functions is added as a new safety goal. Diagnostic coverage must also be implemented for this safety goal. The diagnosis should recognize whether the availability-relevant supply is threatened by (latent) errors in the system. If such (latent) errors are detected, the safe state must be adopted and in this case it is ON or at least ON until the vehicle can be safely parked and the availability-relevant function can be switched off.

Die DE 10 2011 100 392 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines Sicherheitsstromkreises. Die DE 10 2009 039 504 A1 beschreibt ein Verfahren zur Fehlererkennung in einem Antriebsstrang. Die DE 10 2006 016 454 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzelle. Die DE 10 2004 057 828 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Notabschaltung elektrischer Stromversorgungskreise in einem Kraftfahrzeug. Der DE 199 64 097 A1 ist eine Schutzschaltung für eine elektronische Einheit gegen länger anhaltende Überspannung zu entnehmen. Die DE 100 40 246 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Verbrauchers.the DE 10 2011 100 392 A1 describes a circuit arrangement for monitoring a safety circuit. the DE 10 2009 039 504 A1 describes a method for fault detection in a drive train. the DE 10 2006 016 454 A1 discloses a method for operating an on-board electrical system of a motor vehicle with a fuel cell. the DE 10 2004 057 828 A1 describes a device for the emergency shutdown of electrical power supply circuits in a motor vehicle. Of the DE 199 64 097 A1 a protective circuit for an electronic unit against prolonged overvoltage can be found. the DE 100 40 246 A1 describes a device for controlling at least one consumer.

Für eine Vorrichtung zum Absichern einer Bordnetzkomponente entsteht nun die Herausforderung, das die zwei Sicherheitsziele Schutz gegen thermische Überlast und verfügbarkeitsrelevante Versorgen sicherheitskritischer Funktionen gleichzeitig zu erfüllen sind. Erkennt nun die mit dem Sicherheitsziel Schutz gegen thermische Überlast verknüpfte Diagnose einen latenten Fehler (Fehler in Kurzschlusserkennung), so müsste das System in den sicheren Zustand AUS gebracht werden (auch wenn noch kein Kurzschluss vorliegt). Der sichere Zustand AUS des ersten Sicherheitsziels ist aber gleichzeitig der unsichere Zustand des zweiten Sicherheitsziels verfügbarkeitsrelevante Versorgen sicherheitskritischer Funktionen und führt somit zur Verletzung des zweiten Sicherheitsziels.For a device for protecting an on-board network component, the challenge now arises that the two safety goals are protection against thermal overload and the availability-relevant supply of safety-critical functions are to be fulfilled at the same time. If the diagnosis linked to the protection against thermal overload safety goal now detects a latent error (error in short-circuit detection), the system would have to be switched to the safe OFF state (even if there is no short-circuit yet). The safe state OFF of the first safety goal is at the same time the unsafe state of the second safety goal, the availability-relevant supply of safety-critical functions and thus leads to the violation of the second safety goal.

So ist es beispielsweise beim autonomen Fahren nachvollziehbar, dass dort ein Zwangsabschalten einer (fahr-) sicherheitsrelevanten Fahrzeugfunktion basierend auf der Erkennung eines latenten Fehlers im Rahmen einer Diagnose nicht erwünscht ist. Vielmehr ist es bei solchen Fahrzeugfunktionen wünschenswert, dass eine verfügbarkeitsrelevante Versorgung der Fahrzeugfunktion, beispielweise eines elektrischen Verbrauchers oder einer elektrischen Last, mit elektrischer Energie zuverlässig weiter erfolgt. Bei solchen Fahrzeugfunktionen ist ein üblicher Sicherheitszustand also das Aufrechterhalten der Energieversorgung, um das Abschalten zu verhindern.In the case of autonomous driving, for example, it is understandable that a forced shutdown of a (driving) safety-relevant vehicle function based on the detection of a latent error in the context of a diagnosis is not desired. Rather, in the case of such vehicle functions, it is desirable that an availability-relevant supply of the vehicle function, for example an electrical consumer or an electrical load, continues to take place reliably with electrical energy. In the case of such vehicle functions, a common safety condition is maintaining the power supply in order to prevent it from being switched off.

Hieraus ergibt sich ein Zielkonflikt bei den beiden gegensätzlichen Sicherheitszuständen, nämlich zwischen Abschalten und Aufrechterhalten der Energieversorgung. Es besteht deshalb der Wunsch nach einer Lösung dieses Zielkonflikts.This results in a conflict of objectives in the two opposing safety states, namely between switching off and maintaining the energy supply. There is therefore a desire to find a solution to this conflict of objectives.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine Möglichkeit zur Absicherung einer Bordnetz-Komponente zu schaffen, mit der die Funktionssicherheit der Bordnetz-Komponente verbessert wird.The object of the invention is therefore to use means that are as simple as possible to create a way of protecting an on-board network component, with which the functional reliability of the on-board network component is improved.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren angegeben.This object is achieved by the subjects with the features of the independent claims. Advantageous further developments of the invention are specified in the subclaims, the following description and the figures.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Absichern von wenigstens einer Bordnetz-Komponente eines Fahrzeug-Bordnetzes umfasst wenigstens einen Halbleiterschalter, der mit der wenigstens einen Bordnetz-Komponente elektrisch leitfähig verbunden ist. Zudem verfügt die Vorrichtung über einen Schaltkreis, der mit dem Halbleiterschalter elektrisch leitfähig verbunden ist und der eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer insbesondere elektrischen Fehlfunktion des Fahrzeug-Bordnetzes sowie eine Ansteuereinrichtung zum Ansteuern des Halbleiterschalters aufweist. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Steuereinheit auf, die zumindest mit dem Schaltkreis kommunikationsfähig verbunden ist. Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, den Halbleiterschalter in Abhängigkeit von der Erfassung einer insbesondere elektrischen Fehlfunktion in einen ersten Sicherheitszustand, in dem der Halbleiterschalter ausgeschaltet ist, und ferner den Halbleiterschalter in Abhängigkeit von wenigstens einem vorbestimmten Fahrzeugzustand vorzugsweise durch die Steuereinheit wahlweise in den ersten Sicherheitszustand oder in einen zweiten Sicherheitszustand zu schalten, in dem der Halbleiterschalter eingeschaltet ist.The device according to the invention for protecting at least one on-board network component of a vehicle on-board network comprises at least one semiconductor switch which is electrically conductively connected to the at least one on-board network component. In addition, the device has a circuit which is electrically conductively connected to the semiconductor switch and which has a detection device for detecting, in particular, an electrical malfunction of the vehicle electrical system and a control device for controlling the semiconductor switch. Furthermore, the device has a control unit which is connected at least to the circuit in a manner capable of communication. According to the invention, the device is set up to switch the semiconductor switch to a first safety state in which the semiconductor switch is switched off as a function of the detection of a particular electrical malfunction, and also to switch the semiconductor switch to the first safety state as a function of at least one predetermined vehicle state, preferably by the control unit or to switch to a second safety state in which the semiconductor switch is switched on.

In anderen Worten ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Absichern von wenigstens einer Bordnetz-Komponente eines Fahrzeug-Bordnetzes dazu konfiguriert, einen Zielkonflikt zwischen sich bislang einander ausschließenden Sicherheitszuständen zu beheben. Nämlich zwischen einerseits dem ersten Sicherheitszustand, der insbesondere, aber nicht ausschließlich dem Schutz der Bordnetz-Komponente vor einer elektrischen Fehlfunktion dient, und andererseits dem zweiten Sicherheitszustand, der insbesondere einer verfügbarkeitsrelevanten Versorgung der Bordnetz-Komponente mit elektrischer Energie dient. Dabei funktioniert die erfindungsgemäße Vorrichtung ausschließlich elektrisch und/oder elektronisch und kommt ohne ein zusätzliches, mechanisches Back-up-System aus, so dass sie sich insbesondere für so genannte Drive-by-Wire-Konzepte und autonomes Fahren eines Fahrzeugs eignet.In other words, the device according to the invention for protecting at least one on-board network component of a vehicle on-board network is configured to resolve a conflict of objectives between safety states that have hitherto been mutually exclusive. Namely between, on the one hand, the first security state, which serves in particular, but not exclusively, to protect the on-board network component from an electrical malfunction, and, on the other hand, the second security state, which in particular is an availability-relevant one The on-board network component is supplied with electrical energy. The device according to the invention functions exclusively electrically and / or electronically and manages without an additional, mechanical back-up system, so that it is particularly suitable for so-called drive-by-wire concepts and autonomous driving of a vehicle.

Das Fahrzeug-Bordnetz kann eine Vielzahl von unterschiedlichen elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen oder Baugruppen sowie von elektrischen Leitungen als Bordnetz-Komponenten umfassen. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, eine, zwei oder mehrere Komponenten des Fahrzeug-Bordnetzes insbesondere auch gleichzeitig abzusichern. Bei der abzusichernden Bordnetz-Komponente kann es sich im einfachsten Fall beispielsweise um eine elektrische Leitung des Fahrzeug-Bordnetzes handeln, die gegen eine elektrische oder thermische Überlast oder einen elektrischen Überstrom abgesichert werden soll. Dabei kann die elektrische Leitung in einem Kabelbaum des Fahrzeug-Bordnetzes angeordnet sein. Zudem kann die Bordnetz-Komponente im Prinzip jeder elektrische oder elektronische Verbraucher, jede elektrische Last, ein Stellelement, Sensor, Steuergerät oder dergleichen eines Fahrzeug-Bordnetzes sein, sofern diese Bordnetz-Komponente gegen eine Fehlfunktion abgesichert werden soll. Insbesondere kann die Bordnetz-Komponente direkt oder indirekt eine für das damit ausgestatte Fahrzeug sicherheitsrelevante (Fahr-)Funktion übernehmen, wie beispielsweise elektrisches Lenken, Bremsen, autonomes Fahren oder dergleichen, so dass hierfür eine verfügbarkeitsrelevante Versorgung der Bordnetz-Komponente mit elektrischer Energie sichergestellt werden soll.The vehicle electrical system can comprise a large number of different electrical and / or electronic components or assemblies as well as electrical lines as vehicle electrical system components. The device is set up to protect one, two or more components of the vehicle electrical system, in particular also at the same time. In the simplest case, the vehicle electrical system component to be protected can be, for example, an electrical line of the vehicle electrical system that is intended to be protected against an electrical or thermal overload or an electrical overcurrent. The electrical line can be arranged in a cable harness of the vehicle electrical system. In addition, the electrical system component can in principle be any electrical or electronic consumer, any electrical load, an actuator, sensor, control device or the like of a vehicle electrical system, provided that this electrical system component is to be protected against malfunction. In particular, the electrical system component can directly or indirectly take over a safety-relevant (driving) function for the vehicle equipped with it, such as electrical steering, braking, autonomous driving or the like, so that an availability-relevant supply of electrical energy to the electrical system component is ensured for this target.

Der Halbleiterschalter kann beispielsweise ein Feldeffekttransistor (kurz FET), vorzugsweise ein MetallOxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (kurz MOSFET), besonders bevorzugt ein n-Typ-MOSFET sein. Der Einsatz solcher Halbleiterschalter zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Schaltelementen, wie etwa Relais und einer dabei zusätzlich erforderlichen Absicherung über Schmelzsicherungen durch vergleichsweise schnelle Schaltvorgänge bei gleichzeitiger Absicherung aus. Zudem ist ein vergleichsweise einfaches Messen eines daran anliegenden elektrischen Stroms für ein intelligentes Energiemanagement, eine im Wesentlichen frei konfiguriere Absicherung von angeschlossenen elektrischen Leitungen über konfigurierbare Sicherungskennlinien, eine dadurch mögliche Reduzierung eines Leitungsquerschnitts und eine weitgehend dezentrale Stromverteilung in nicht zugänglichen Bauräumen eines Fahrzeugs, gegebenenfalls direkt im jeweiligen Kabelsatz möglich.The semiconductor switch can, for example, be a field effect transistor (FET for short), preferably a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET for short), particularly preferably an n-type MOSFET. The use of such semiconductor switches is distinguished from conventional switching elements such as relays and the additional protection required by means of fuses due to comparatively fast switching operations with simultaneous protection. In addition, a comparatively simple measurement of an electrical current connected to it is possible for intelligent energy management, an essentially freely configured protection of connected electrical lines via configurable fuse characteristics, a possible reduction of a line cross-section and a largely decentralized current distribution in inaccessible installation spaces of a vehicle, possibly directly possible in the respective cable set.

Bei der elektrischen Fehlfunktion kann es sich beispielsweise um eine elektrische und/oder thermische Überlast oder einen elektrischen Überstrom handeln. Eine solche elektrische Fehlfunktion kann zum Beispiel durch (auch harte) Kurzschlüsse innerhalb des Fahrzeug-Bordnetzes auftreten. Die Fehlfunktion kann insbesondere transient sein, also vorübergehend und nicht dauerhaft sein beziehungsweise sporadisch auftreten.The electrical malfunction can be, for example, an electrical and / or thermal overload or an electrical overcurrent. Such an electrical malfunction can occur, for example, as a result of (also hard) short circuits within the vehicle electrical system. The malfunction can in particular be transient, that is to say temporary and not permanent, or occur sporadically.

Unter Schaltkreis kann eine Einheit oder Baugruppe einer elektrischen oder elektronischen Schaltung verstanden werden, die die erfindungsgemäß definierte Funktion erfüllt. Unter einer kommunikationsfähigen Verbindung zwischen Steuereinheit und Schaltkreis kann jede Art der physikalischen Informationsübertragung zwischen Steuereinheit und Schaltkreis verstanden werden, also beispielsweise eine Informationsübertragung über eine elektrische Leitung, eine Datenleitung, einen Daten-Bus oder dergleichen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Schaltkreis über ein BusSystem, insbesondere über ein so genanntes Serial-Peripheral-Interface (kurz SPI) verfügt.A circuit can be understood as a unit or assembly of an electrical or electronic circuit which fulfills the function defined according to the invention. A communication-capable connection between control unit and circuit can be understood to mean any type of physical information transmission between control unit and circuit, for example information transmission via an electrical line, a data line, a data bus or the like. It has proven to be advantageous if the circuit has a bus system, in particular what is known as a serial peripheral interface (SPI for short).

Die Steuereinheit kann separat zu dem Schaltkreis ausgebildet und/oder angeordnet sein. Alternativ dazu kann die Steuereinheit auch in den Schaltkreis integriert sein.The control unit can be designed and / or arranged separately from the circuit. Alternatively, the control unit can also be integrated into the circuit.

Der zu berücksichtigende Fahrzeugzustand kann aus einer Vielzahl von vorbestimmten Fahrzeugzuständen ausgewählt sein. Beispielhaft kann dies eine Aufwachphase eines Fahrzeugs, ein geschaltetes Plus beziehungsweise Zündungsplus („Klemme 15 an“) und/oder ein aktiver Fahrzyklus des Fahrzeugs sein.The vehicle state to be taken into account can be selected from a multiplicity of predetermined vehicle states. For example, this can be a wake-up phase of a vehicle, a switched plus or ignition plus (“Terminal 15 on”) and / or an active driving cycle of the vehicle.

Mit dieser Konfiguration ermöglicht es die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhafterweise, dass einerseits eine Absicherung einer Bordnetz-Komponente gegen insbesondere transiente elektrische Überlasten gewährleistet ist. Andererseits wird aber eine verfügbarkeitsrelevante Versorgung der Bordnetz-Komponente mit elektrischer Energie wegen eines Einzelfehlers zumindest nicht dauerhaft unterbrochen. Ohne die erfindungsgemäße Konfiguration zur Absicherung einer Bordnetz-Komponente müssten für ein funktionssicheres Abschalten beim Auftreten von beispielsweise einer elektrischen Überlast sonst zwei Halbleiterschalter in Reihe geschaltet werden und für das verfügbarkeitsrelevante Versorgen einer Bordnetz-Komponente nochmals zwei Halbleiterschalter parallel geschaltet werden. Das bedeutet, dass eine serielle Redundanz für die Absicherung gegen eine elektrische Fehlfunktion und eine zusätzliche, parallele Redundanz für das verfügbarkeitsrelevante Versorgen vorgesehen sein müssten. Dies ist aus Kostengründen sowie der knapp bemessenen Bauraumverfügbarkeit in einem Fahrzeug und einer vergleichsweise hohen Verlustleistung nicht erwünscht. Die erfindungsgemäße Konfiguration zeichnet sich also durch eine konstruktiv besonders einfache Möglichkeit zur Absicherung einer Bordnetz-Komponente aus, mit der die Funktionssicherheit der Bordnetz-Komponente verbessert wird.With this configuration, the device according to the invention advantageously enables, on the one hand, a safeguarding of an on-board network component against, in particular, transient electrical overloads. On the other hand, however, an availability-relevant supply of electrical energy to the on-board network component is at least not permanently interrupted because of an individual fault. Without the configuration according to the invention for safeguarding an on-board network component, two semiconductor switches would otherwise have to be connected in series for a functionally reliable shutdown in the event of an electrical overload, for example, and two semiconductor switches would have to be connected in parallel again for the availability-relevant supply of an on-board network component. This means that a serial redundancy for protection against an electrical malfunction and an additional, parallel redundancy for the availability-relevant supply would have to be provided. This is not desirable for reasons of cost and the limited space available in a vehicle and a comparatively high power loss. The configuration according to the invention is thus characterized by a particularly simple structurally simple option for protecting an on-board network component, with which the functional reliability of the on-board network component is improved.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der erste Sicherheitszustand oder der zweite Sicherheitszustand durch die Steuereinheit in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Fahrzeugzustand priorisiert sind. In anderen Worten, kann der zu schaltende Sicherheitszustand im Prinzip jederzeit durch eine dem Schaltkreis übergeordnete (Steuer-)Instanz vorgegeben werden und kann in Abhängigkeit eines jeweiligen Fahrzeugzustands und/oder Zustand des Fahrzeug-Bordnetzes geändert werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der zu schaltende Sicherheitszustand also nicht unveränderbar festgelegt, sondern an einen jeweiligen Fahrzeugzustand anpassbar.A particularly advantageous development of the invention provides that the first safety state or the second safety state are prioritized by the control unit as a function of the at least one vehicle state. In other words, the safety state to be switched can in principle be specified at any time by a (control) entity superordinate to the circuit and can be changed as a function of a respective vehicle state and / or state of the vehicle electrical system. In contrast to the state of the art, the safety state to be switched is therefore not fixed in an unchangeable manner, but can be adapted to a particular vehicle state.

Für einen möglichst effektiven Schutz des Halbleiterschalters vor Beschädigung kann es vorteilhaft sein, wenn der Schaltkreis eine Fehlfunktionsabschalteinrichtung aufweist, die den Halbleiterschalter in Abhängigkeit von der Erfassung einer elektrischen Fehlfunktion zumindest zeitweise in den ersten Sicherheitszustand zwangsschaltet. Die Zeitdauer für dieses Zwangsabschalten kann beispielsweise etwa 50 bis 150 µS, vorzugsweise etwa 100 µS betragen. Die Fehlfunktionsabschalteinrichtung kann für eine zeitlich möglichst zügige Abschaltung des Halbleiterschalters so angeordnet sein, dass sie den Halbleiterschalter auf direktem Wege schaltet, ohne beispielsweise die Steuereinheit einzubinden. Idealerweise kann auch vorgesehen sein, dass die Zwangsabschaltung insbesondere je nach Schwere der elektrischen Fehlfunktion und/oder je nach zu erfüllender Fahrzeugfunktion stets, das heißt in jedem Fall aktiv ist. Auf diese Weise kann der Halbleiterschalter bei einer elektrischen Fehlfunktion zeitlich zügig abgeschaltet werden, um eine elektrisch oder thermisch bedingte Beschädigung des Halbleiterschalters und gegebenenfalls auch der damit elektrisch leitfähig verbundenen Bordnetz-Komponente zu vermeiden.For the most effective possible protection of the semiconductor switch from damage, it can be advantageous if the circuit has a malfunction shutdown device that at least temporarily forcibly switches the semiconductor switch to the first safety state depending on the detection of an electrical malfunction. The period of time for this forced shutdown can be, for example, about 50 to 150 μS, preferably about 100 μS. The malfunction disconnection device can be arranged for the fastest possible disconnection of the semiconductor switch in terms of time so that it switches the semiconductor switch in a direct manner without for example to integrate the control unit. Ideally, it can also be provided that the forced shutdown is always active, in particular depending on the severity of the electrical malfunction and / or depending on the vehicle function to be fulfilled. In this way, the semiconductor switch can be switched off quickly in the event of an electrical malfunction in order to avoid electrically or thermally induced damage to the semiconductor switch and possibly also to the electrical system components connected to it in an electrically conductive manner.

Eine weitere, vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, ein Ansteuersignal des Schaltkreises durch insbesondere ein Ansteuersignal der Steuereinheit wahlweise zu ersetzen, zu überlagern beziehungsweise zu übersteuern oder dergleichen, um den Halbleiterschalter in den zweiten Sicherheitszustand zwangszuschalten. Durch das wahlweise Ersetzen des Ansteuersignals des Schaltkreises insbesondere durch ein Ansteuersignal der Steuereinheit ist es auf besonders einfache Weise möglich, den Halbleiterschalter sowohl in Abhängigkeit der elektrischen Fehlfunktion in den ersten Sicherheitszustand als auch in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Fahrzeugzustand in den ersten Sicherheitszustand oder den zweiten Sicherheitszustand zu schalten. Das heißt, dass trotz der Veranlassung eines Schaltens des Halbleiterschalters in den ersten Sicherheitszustand durch den Schaltkreis, beispielweise durch die Ansteuereinrichtung und/oder die Fehlfunktionsabschalteinrichtung, entweder stattdessen oder zeitlich danach dennoch in den zweiten Sicherheitszustand geschaltet werden kann.Another advantageous development of the invention provides that the device is set up to optionally replace, superimpose or override or the like a control signal of the circuit by in particular a control signal of the control unit in order to forcibly switch the semiconductor switch to the second safety state. By optionally replacing the control signal of the circuit, in particular with a control signal from the control unit, it is possible in a particularly simple manner to switch the semiconductor switch to the first safety state as a function of the electrical malfunction as well as to the first safety state or the second as a function of the at least one vehicle state To switch safety state. This means that despite the switching of the semiconductor switch to the first safety state by the circuit, for example by the control device and / or the malfunction shutdown device, it is still possible to switch to the second safety state either instead or afterwards.

Eine elektrische Fehlfunktion lässt sich auf besonders zuverlässige und konstruktiv einfache Weise erfassen, wenn die Vorrichtung, insbesondere die Erfassungseinrichtung dazu eingerichtet sind, einen Spannungsabfall UDS-On an dem Halbleiterschalter zu erfassen. Vorzugsweise kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, einen Spannungsabfall an beziehungsweise über dem Drain-Source-Widerstand des Halbleiterschalters, zum Beispiel eines MOSFETs, insbesondere im durchgeschalteten Zustand zu erfassen beziehungsweise zu messen. Hierfür können die Vorrichtung, insbesondere die Erfassungseinrichtung eine Art Messbrückenschaltung umfassen, deren erster Zweig mit einem Drain-Anschluss des Halbleiterschalters und deren zweiter Zweig mit einem Source-Anschluss des Halbleiterschalters elektrisch verbunden ist. Dieser erfassbare Spannungsabfall ist zu dem vom Halbleiterschalter zu schaltenden elektrischen Strom proportional, so dass auf diese Weise eine indirekte Erfassung des elektrischen Stroms zur Bestimmung einer elektrischen Fehlfunktion, beispielsweise eines elektrischen Überstroms möglich ist.An electrical malfunction can be detected in a particularly reliable and structurally simple manner if the device, in particular the detection device, is set up to detect a voltage drop U DS-On at the semiconductor switch. The device can preferably be set up to detect or measure a voltage drop at or across the drain-source resistance of the semiconductor switch, for example a MOSFET, in particular in the switched-on state. For this purpose, the device, in particular the detection device, can comprise a type of measuring bridge circuit, the first branch of which is electrically connected to a drain connection of the semiconductor switch and the second branch of which is electrically connected to a source connection of the semiconductor switch. This detectable voltage drop is proportional to the electric current to be switched by the semiconductor switch, so that in this way an indirect detection of the electric current to determine an electrical malfunction, for example an electrical overcurrent, is possible.

Für eine möglichst einfache Auswertung beziehungsweise Bestimmung, ob eine elektrische Fehlfunktion vorliegt, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Erfassungseinrichtung einen Differenzverstärker sowie eine davon gespeiste Auswerteeinheit für die Erfassung einer elektrischen Fehlfunktion umfasst. Bei dem Differenzverstärker kann es sich auch um einen Komparator handeln, der zwei elektrische Spannungen miteinander vergleicht. Als Auswerteeinheit eignet sich beispielsweise ein Analog-Digital-Wandler, der das analoge Spannungssignal in ein digitales Signal wandelt. So kann der Spannungsabfall über dem Drain-Source-Widerstand des Halbleiterschalters dem Differenzverstärker und nachfolgend dem Analog-Digitalwandler zugeführt. Das digitale Signal lässt sich vergleichsweise einfach auswerten, beispielsweise durch die Steuereinheit. Zur Auswertung kann beispielsweise ein Software-Filter vorgesehen sein, das sich vergleichsweise flexibel an unterschiedlichste Fahrzeugtypen und deren Anforderungen hinsichtlich der Absicherung des jeweiligen Fahrzeug-Bordnetzes anpassen lässt.For the simplest possible evaluation or determination of whether there is an electrical malfunction, it has proven to be advantageous if the detection device comprises a differential amplifier and an evaluation unit fed by it for detecting an electrical malfunction. The differential amplifier can also be a comparator which compares two electrical voltages with one another. An analog-digital converter, for example, which converts the analog voltage signal into a digital signal, is suitable as an evaluation unit. Thus, the voltage drop across the drain-source resistance of the semiconductor switch can be fed to the differential amplifier and subsequently to the analog-digital converter. The digital signal can be evaluated comparatively easily, for example by the control unit. For the evaluation, for example, a software filter can be provided that can be adapted comparatively flexibly to the most varied of vehicle types and their requirements with regard to the protection of the respective vehicle electrical system.

Für ein zeitlich möglichst schnelles Ansteuern des Halbleiterschalters, kann es vorteilhaft sein, wenn der Schaltkreis, insbesondere die Ansteuereinrichtung einen Gate-Treiber umfassen. Zusätzlich können der Schaltkreis, insbesondere die Ansteuereinrichtung eine Ladungspumpe zur Erzeugung einer bestimmten Gate-Spannung umfassen.For the fastest possible control of the semiconductor switch in terms of time, it can be advantageous if the circuit, in particular the control device, includes a gate driver. In addition, the circuit, in particular the control device, can include a charge pump for generating a specific gate voltage.

Für eine möglichst klein bauende Vorrichtung und insbesondere bei hohen Stückzahlen vergleichsweise kostengünstige Bereitstellung der Vorrichtung kann es vorteilhaft sein, wenn der Schaltkreis ein integrierter Schaltkreis, insbesondere ein ASIC also eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (englisch Application Specific Integrated Circuit) ist.For a device that is as small as possible and, in particular, comparatively inexpensive provision of the device in the case of large quantities, it can be advantageous if the circuit is an integrated circuit, in particular an ASIC that is an application-specific integrated circuit.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Steuereinheit ein Mikrocontroller ist, der dazu eingerichtet ist, eine Vielzahl von Fahrzeugzuständen zu ermitteln. Für die Ermittlung eines jeweiligen Fahrzeugzustands kann die Steuereinheit kommunikationsfähig mit einem Fahrzeug-Bus, wie etwa einem LIN- oder CAN-Bus verbunden sein. Der Mikrocontroller kann beispielsweise ein Batteriemanagementsystem, etwa ein Batterie-Steuergerät oder ein anderes Fahrzeug-Steuergerät sein.It has proven to be advantageous if the control unit is a microcontroller which is set up to determine a large number of vehicle states. To determine a respective vehicle state, the control unit can be connected to a vehicle bus, such as a LIN or CAN bus, in a manner capable of communication. The microcontroller can be, for example, a battery management system, for example a battery control device or another vehicle control device.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Absichern von wenigstens einer Bordnetz-Komponente eines Fahrzeug-Bordnetzes. Dieses Verfahren umfasst die Schritte:

  • - Vorsehen beziehungsweise Bereitstellen von wenigstens einem Halbleiterschalter, der mit der wenigstens einen Bordnetz-Komponente elektrisch leitfähig verbunden ist.
  • - Vorsehen beziehungsweise Bereitstellen von einem Schaltkreis, der mit dem Halbleiterschalter elektrisch leitfähig verbunden ist und der eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer elektrischen Fehlfunktion des Fahrzeug-Bordnetzes sowie eine Ansteuereinrichtung zum Ansteuern des Halbleiterschalters aufweist.
  • - Vorsehen beziehungsweise Bereitstellen von einer Steuereinheit, die zumindest mit dem Schaltkreis kommunikationsfähig verbunden ist.
The invention also relates to a method for protecting at least one electrical system component of a vehicle electrical system. This procedure consists of the following steps:
  • - Providing or providing at least one semiconductor switch, which is connected to the at least one electrical system component in an electrically conductive manner.
  • - Providing or providing a circuit which is electrically conductively connected to the semiconductor switch and which has a detection device for detecting an electrical malfunction of the vehicle electrical system and a control device for controlling the semiconductor switch.
  • - Provision or provision of a control unit which is connected at least to the circuit in a manner capable of communication.

Erfindungsgemäß wird der Halbleiterschalter in Abhängigkeit von der Erfassung einer elektrischen Fehlfunktion in einen ersten Sicherheitszustand, in dem der Halbleiterschalter ausgeschaltet ist, und ferner in Abhängigkeit von wenigstens einem vorbestimmten Fahrzeugzustand vorzugsweise durch die Steuereinheit wahlweise in den ersten Sicherheitszustand oder in einen zweiten Sicherheitszustand geschaltet wird, in dem der Halbleiterschalter eingeschaltet ist.According to the invention, depending on the detection of an electrical malfunction, the semiconductor switch is switched to a first safety state in which the semiconductor switch is switched off, and furthermore, depending on at least one predetermined vehicle state, preferably by the control unit, it is optionally switched to the first safety state or to a second safety state, in which the semiconductor switch is switched on.

Für das erfindungsgemäße Verfahren können sämtliche Merkmale der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zum Absichern von wenigstens einer Bordnetz-Komponente eines Fahrzeug-Bordnetzes entsprechend genutzt werden.For the method according to the invention, all features of the device described above for protecting at least one on-board network component of a vehicle on-board network can be used accordingly.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der erste Sicherheitszustand oder der zweite Sicherheitszustand in Abhängigkeit des wenigstens einen Fahrzeugzustands vorzugsweise durch die Steuereinheit priorisiert werden kann. Demnach kann vorzugsweise die Steuereinheit ein Ausgangssignal des Schaltreises ersetzen, überlagern beziehungsweise übersteuern oder dergleichen, um zwangsweise einen bestimmten, gegebenenfalls priorisierten Sicherheitszustand zu schalten. In anderen Worten, wird der zu schaltende Sicherheitszustand im Prinzip jederzeit durch eine dem Schaltkreis übergeordnete (Steuer-)Instanz vorgegeben und kann in Abhängigkeit eines jeweiligen Fahrzeugzustands und/oder Zustand des Fahrzeug-Bordnetzes geändert werden.A particularly advantageous development of the invention provides that the first safety state or the second safety state can be prioritized by the control unit as a function of the at least one vehicle state. Accordingly, the control unit can preferably replace, superimpose or override or the like an output signal of the switching circuit in order to forcibly switch a specific, possibly prioritized safety state. In other words, the safety state to be switched is in principle specified at any time by a (control) entity superordinate to the circuit and can be changed as a function of a respective vehicle state and / or state of the vehicle electrical system.

Für einen möglichst guten Schutz vor Beschädigungen des Halbleiterschalters kann vorgesehen sein, dass der Halbleiterschalter in Abhängigkeit von der Erfassung einer elektrischen Fehlfunktion zumindest zeitweise in den ersten Sicherheitszustand zwangsgeschaltet wird. Hierfür kann es vorteilhaft sein, wenn der Schaltkreis eine Fehlfunktionsabschalteinrichtung aufweist, durch die der Halbleiterschalter in Abhängigkeit von der Erfassung einer elektrischen Fehlfunktion zumindest zeitweise in den ersten Sicherheitszustand zwangsschaltet wird. Die Fehlfunktionsabschalteinrichtung kann für eine zeitlich möglichst zügige Abschaltung des Halbleiterschalters so angeordnet sein, dass der Halbleiterschalter auf direktem Wege geschaltet werden kann, ohne beispielsweise die Steuereinheit mit einzubinden.For the best possible protection against damage to the semiconductor switch, it can be provided that the semiconductor switch is forcibly switched to the first safety state at least temporarily as a function of the detection of an electrical malfunction. For this purpose, it can be advantageous if the circuit has a malfunction disconnection device by means of which the semiconductor switch is forcibly switched to the first safety state at least temporarily as a function of the detection of an electrical malfunction. The malfunction disconnection device can be arranged to disconnect the semiconductor switch as quickly as possible in terms of time so that the semiconductor switch can be switched directly without, for example, involving the control unit.

Für eine möglichst hohe Funktionssicherheit des Fahrzeug-Bordnetzes kann es vorteilhaft sein, wenn bei einer elektrischen Fehlfunktion stets, das heißt in jedem Fall, zumindest zeitweise in den ersten Sicherheitszustand zwangsgeschaltet wird.For the highest possible functional reliability of the vehicle electrical system, it can be advantageous if, in the event of an electrical malfunction, there is always, that is, in any case, at least temporarily switched to the first safety state.

Eine weitere, vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Ansteuersignal des Schaltkreises durch die Steuereinheit in Abhängigkeit des wenigstens einen vorbestimmten Fahrzeugzustands wahlweise ersetzt, überlagert oder dergleichen werden kann, um den Halbleiterschalter zumindest zeitweise in den zweiten Sicherheitszustand zwangszuschalten. So kann der Halbleiterschalter auch bei Erfassung und/oder Vorliegen einer elektrischen Fehlfunktion trotzdem zumindest zeitweise in den zweiten Sicherheitszustand geschaltet werden.Another advantageous development of the invention provides that a control signal of the circuit can be optionally replaced, superimposed or the like by the control unit depending on the at least one predetermined vehicle state in order to forcibly switch the semiconductor switch to the second safety state at least temporarily. In this way, the semiconductor switch can nevertheless be switched to the second safety state at least temporarily even when an electrical malfunction is detected and / or present.

Es kann auch vorteilhaft sein, wenn in Abhängigkeit des wenigstens einen Fahrzeugzustands zumindest einmalig von dem zwangsgeschalteten ersten Sicherheitszustand in den zweiten Sicherheitszustand geschaltet wird und nur beim erneuten Erfassen derselben elektrischen Fehlfunktion wieder in den ersten Sicherheitszustand geschaltet wird.It can also be advantageous if, depending on the at least one vehicle state, the first safety state is switched to the second safety state at least once and the first safety state is only switched back to when the same electrical malfunction is detected again.

Die Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft in einem Fahrzeug, beispielsweise einem Kraftfahrzeug oder einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug einsetzen.The invention can be used particularly advantageously in a vehicle, for example a motor vehicle or a hybrid or electric vehicle.

FigurenlisteFigure list

Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein schematisch dargestelltes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Absichern von wenigstens einer Bordnetz-Komponente eines Fahrzeug-Bordnetzes mit einem zu schaltenden Lastkanal und
  • 2 das schematisch dargestellte Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Absichern von wenigstens einer Bordnetz-Komponente eines Fahrzeug-Bordnetzes aus 1, wobei dieses um einen zu schaltenden Lastkanal erweitert ist.
Advantageous exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying figures. Show it:
  • 1 a schematically represented block diagram of a device according to the invention for protecting at least one electrical system component of a vehicle electrical system with a load channel to be switched and
  • 2 the schematically illustrated block diagram of a device according to the invention for protecting at least one electrical system component of a vehicle electrical system 1 , whereby this is extended by a load channel to be switched.

Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.The figures are merely schematic representations and only serve to explain the invention. The same elements are provided with the same reference symbols throughout.

1 zeigt in einem schematisch dargestellten Blockschaltbild eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Absichern von wenigstens einer Bordnetz-Komponente eines (hier nur auszugsweise dargestellten) Fahrzeug-Bordnetzes. Bei dem Fahrzeug-Bordnetz handelt es sich hier um ein elektrisches Bordnetz, ein so genanntes Energie-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. 1 shows a device according to the invention in a schematically represented block diagram 1 to secure at least one On-board network component of a vehicle on-board network (only shown here in part). The vehicle electrical system is an electrical electrical system, a so-called energy electrical system of a motor vehicle.

Das Fahrzeug-Bordnetz umfasst einen elektrischen Verbraucher beziehungsweise eine elektrische Last 2 und eine damit verbundene elektrische Leitung 3. Die durch die Vorrichtung 1 abzusichernde Bordnetz-Komponente können beispielsweise die elektrische Last 2 oder die elektrische Leitung 3 oder beide Elemente sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist beispielhaft genau ein einziger Lastkanal dargestellt.The vehicle electrical system includes an electrical consumer or an electrical load 2 and an electrical line connected to it 3 . The by the device 1 On-board network components to be protected can, for example, be the electrical load 2 or the electrical line 3 or be both elements. In this exemplary embodiment, precisely one single load channel is shown as an example.

Aus 1 geht hervor, dass die Vorrichtung 1 einen Halbleiterschalter 4 aufweist, der über die elektrische Leitung 3 mit der elektrischen Last 2 elektrisch leitfähig verbunden ist. Der Halbleiterschalter 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (kurz MOSFET), insbesondere als n-Typ-MOSFET ausgeführt. Demzufolge verfügt der Halbleiterschalter 4 über einen Drain-Anschluss 5, einen Source-Anschluss 6 und ein Gate 7 beziehungsweise einen Gate-Anschluss. Ein solcher Halbleiterschalter 4 weist im eingeschalteten Zustand einen Drain-Source-Widerstand RDS-On auf, an dem ein erfassbarer beziehungsweise messbarer Spannungsabfall UDS-On auftritt, der proportional zu einem hier zu erfassenden elektrischen Strom ist. Als mögliche Schaltstellungen kann der Halbleiterschalter 4 einen ersten Sicherheitszustand, in dem der Halbleiterschalter 4 gesperrt beziehungsweise ausgeschaltet ist, und einen zweiten Sicherheitszustand einnehmen, in dem der Halbleiterschalter 4 eingeschaltet ist.the end 1 shows that the device 1 a semiconductor switch 4th has, which is on the electrical line 3 with the electrical load 2 is electrically conductively connected. The semiconductor switch 4th is designed in this embodiment as a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET for short), in particular as an n-type MOSFET. As a result, the semiconductor switch has 4th via a drain connection 5 , a source connector 6th and a gate 7th or a gate connection. Such a semiconductor switch 4th In the switched-on state, it has a drain-source resistor R DS-On , at which a detectable or measurable voltage drop U DS-On occurs, which is proportional to an electric current to be detected here. The semiconductor switch 4th a first safety state in which the semiconductor switch 4th is locked or switched off, and assume a second safety state in which the semiconductor switch 4th is switched on.

Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 einen Schaltkreis 8, der über eine oder mehrere elektrische Leitungen mit dem Halbleiterschalter 4 elektrisch leitfähig verbunden ist oder, alternativ dazu, eine integrale Baueinheit bildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Schaltkreis 8 als integrierter Schaltkreis (kurz IC), insbesondere als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (englisch application-specific integrated circuit, kurz ASIC) ausgeführt.The device also includes 1 a circuit 8th connected to the semiconductor switch via one or more electrical lines 4th is electrically conductively connected or, alternatively, forms an integral unit. In this embodiment, the circuit is 8th designed as an integrated circuit (IC for short), in particular as an application-specific integrated circuit (ASIC for short).

Der Schaltkreis 8 weist eine Erfassungseinrichtung 9 zur Erfassung einer elektrischen Fehlfunktion des Fahrzeug-Bordnetzes auf, wobei die Erfassungseinrichtung 9 in diesem Ausführungsbeispiel eine Anordnung mit einem ersten Zweig 10 und einem zweiten Zweig 11 zum Erfassen beziehungsweise Messen des Spannungsabfalls UDS-On des Halbleiterschalters 4 umfasst. Der erste Zweig 10 ist mit dem Drain-Anschluss 5, der zweite Zweig 11 ist mit dem Source-Anschluss 6 des Halbleiterschalters 4 verbunden. Der Schaltreis 8 umfasst ferner einen mit dem erfassten Spannungsabfall UDS-On gespeisten Differenzverstärker 12 und einen davon gespeisten Analog-Digital-Wandler 13 zum Umsetzen des analogen Signals des Differenzverstärkers 12 in ein digitales Signal.The circuit 8th has a detection device 9 for detecting an electrical malfunction of the vehicle electrical system, wherein the detection device 9 in this embodiment an arrangement with a first branch 10 and a second branch 11 for detecting or measuring the voltage drop U DS-On of the semiconductor switch 4th includes. The first branch 10 is with the drain connector 5 , the second branch 11 is with the source connector 6th of the semiconductor switch 4th tied together. The circuit 8th further comprises a differential amplifier fed with the detected voltage drop U DS-On 12th and an analog-to-digital converter fed by it 13th for converting the analog signal of the differential amplifier 12th into a digital signal.

Der Schaltkreis 8 weist ferner eine Ansteuereinrichtung 14 zum Ansteuern des Halbleiterschalters 4 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen einen Gate-Treiber 15 und eine diesen speisende Ladungspumpe 16 umfasst.The circuit 8th also has a control device 14th to control the semiconductor switch 4th on, which in this embodiment is essentially a gate driver 15th and a charge pump feeding it 16 includes.

Des Weiteren verfügt der Schaltkreis 8 über eine Auswerteinheit 17 mit einer Auswertelogik zur (Vor-) Auswertung des von der Erfassungseinrichtung 9 gelieferten Signals. Zudem ist eine serielle Schnittstelle 18 vorgesehen, die hier als so genanntes Serial-Peripheral-Interface (kurz SPI) ausgeführt ist, zur kommunikationsfähigen Anbindung des Schaltkreises 8 an andere Elemente der Vorrichtung 1.The circuit also has 8th via an evaluation unit 17th with evaluation logic for (pre) evaluation of the data from the detection device 9 delivered signal. There is also a serial interface 18th provided, which is designed here as a so-called serial peripheral interface (SPI for short), for the communication-capable connection of the circuit 8th to other elements of the device 1 .

In 1 ist zudem erkennbar, dass der Schaltkreis 8 eine Fehlfunktionsabschalteinrichtung 19 aufweist, die als eine Art Schnellabschaltung für den Halbleiterschalter 4 funktioniert (Schnellabschaltung für harte (transiente) Kurzschlüsse). Hierfür ist die Fehlfunktionsabschalteinrichtung 19 innerhalb des Schaltkreises 8 direkt mit dem Gate-Treiber 15 beziehungsweise der Ladungspumpe 16 elektrisch leitfähig verbunden. Die Funktion der Fehlfunktionsabschalteinrichtung 19 wird weiter unten detaillierter erläutert.In 1 can also be seen that the circuit 8th a malfunction shutdown device 19th has, as a kind of quick shutdown for the semiconductor switch 4th works (quick shutdown for hard (transient) short circuits). The malfunction shutdown device is used for this 19th within the circuit 8th directly to the gate driver 15th or the charge pump 16 electrically conductively connected. The function of the malfunction shutdown device 19th is explained in more detail below.

Die Vorrichtung 1 weist auch eine Steuereinheit 20 auf, die über die serielle Schnittstelle 18 kommunikationsfähig mit dem Schaltkreis 8 verbunden ist. Aus 1 geht hervor, dass die Steuereinheit 20, bei der es sich hier beispielhaft um ein Batteriemanagementsystem handelt, mit einem (hier als Pfeil angedeutetes) Fahrzeug-Bussystem 21 kommunikationsfähig verbunden ist, um unter anderen Informationen über einen jeweiligen Fahrzeugzustand zu erhalten. In der Steuereinheit 20 ist ein Software-Filter implementiert, das ausgehend von dem durch die Erfassungseinrichtung 9 und/oder die Auswerteinheit 17 des Schaltkreises 8 verarbeiteten Spannungsabfall UDS-On über dem Halbleiterschalter 4 eine elektrische Fehlfunktion bestimmt. Die elektrische Fehlfunktion kann beispielsweise ein elektrischer Überstrom sein, also ein elektrischer Strom, der den größten dauernd zulässigen Strom infolge von Kurzschlüssen beziehungsweise Überlastung überschreitet.The device 1 also has a control unit 20th on that via the serial interface 18th able to communicate with the circuit 8th connected is. the end 1 shows that the control unit 20th , which is an example of a battery management system with a vehicle bus system (indicated here as an arrow) 21 communicatively connected to receive, among other things, information about a respective vehicle state. In the control unit 20th a software filter is implemented, which is based on the by the detection device 9 and / or the evaluation unit 17th of the circuit 8th processed voltage drop U DS-On across the semiconductor switch 4th an electrical malfunction is determined. The electrical malfunction can, for example, be an electrical overcurrent, that is to say an electrical current that exceeds the largest continuously permissible current as a result of short circuits or overload.

2, die ebenfalls ein schematisch dargestelltes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zeigt, soll veranschaulichen, dass die Vorrichtung 1 auch in der Lage ist, mehr als einen Lastkanal, nämlich zwei, drei, vier oder mehr Lastkanäle abzusichern. Die dafür zusätzlich notwendigen Elemente entsprechen aber konstruktiv und funktional denen der vorstehend Vorrichtung 1. Zur besseren Veranschaulichung sind die Bezugszeichen der Elemente, die für den weiteren, abzusichernden Lastkanal verwendet werden, um den Kleinbuchstaben „a“ ergänzt. 2 , which is also a schematically illustrated block diagram of the device according to the invention 1 shows is intended to illustrate that the device 1 is also able to secure more than one load channel, namely two, three, four or more load channels. The elements additionally required for this, however, correspond structurally and functionally to those of the above device 1 . For better The reference symbols of the elements that are used for the additional load channel to be protected are illustrated with the addition of the lowercase letter "a".

Anhand von 1, die die Vorrichtung 1 in einem schematisch dargestellten Blockschaltbild zeigt, sollen nun ein möglicher Betrieb der Vorrichtung 1 beziehungsweise ein Verfahren zum Absichern von wenigstens einer Bordnetz-Komponente eines Fahrzeug-Bordnetzes näher erläutert werden.Based on 1 who have favourited the device 1 shows in a schematically illustrated block diagram, a possible operation of the device should now 1 or a method for securing at least one electrical system component of a vehicle electrical system are explained in more detail.

Im Allgemeinen steuert die Steuereinheit 20 über die serielle Schnittstelle 18, ob der in diesem Ausführungsbeispiel einzige Lastkanal mit der elektrischen Last 2 eingeschaltet oder ausgeschaltet sein soll. Der Schaltkreis 8 erzeugt über die Ladungspumpe 16 die notwendige Gate-Spannung, die über den Gate-Treiber 15 zur Ansteuerung des Halbleiterschalters 4 auf dessen Gate 7 durchgeschaltet wird.In general, the control unit controls 20th via the serial interface 18th whether the only load channel in this exemplary embodiment with the electrical load 2 should be switched on or off. The circuit 8th generated by the charge pump 16 the necessary gate voltage that goes through the gate driver 15th for controlling the semiconductor switch 4th on its gate 7th is switched through.

Um während des Betriebs des Fahrzeugs beziehungsweise der Vorrichtung 1 eine mögliche elektrische Fehlfunktion zu erfassen, erfasst beziehungsweise misst der Schaltkreis 8 den zu dem eigentlich zu erfassenden Strom proportionalen Spannungsabfall UDS-On über dem Halbleiterschalter 4. Hierfür wird der erfasste Spannungsabfall UDS-On dem Differenzverstärker 12 zugeführt. Dieser wiederum gibt das daraus erhaltene Signal an den Analog-Digital-Wandler 13 weiter. Nach der Analog-Digital-Wandlung des Signals aus dem Differenzverstärker 12 wird dieses über die Auswertelogik der (Vor-)Auswerteeinheit 17 und die serielle Schnittstelle 18 an die Steuereinheit 20 weitergeleitet beziehungsweise übertragen. In der Steuereinheit 20 ist das Software-Filter implementiert, das ausgehend von der (indirekten) Strommessung die Last- beziehungsweise Überlastsituation als mögliche elektrische Fehlfunktion der elektrischen Leitung 3 und/oder der elektrischen Last 2 bestimmt.To during the operation of the vehicle or the device 1 the circuit detects or measures a possible electrical malfunction 8th the voltage drop U DS-On across the semiconductor switch, which is proportional to the current to be detected 4th . For this purpose, the detected voltage drop U DS-On is sent to the differential amplifier 12th fed. This in turn sends the signal obtained from it to the analog-digital converter 13th Further. After the analog-digital conversion of the signal from the differential amplifier 12th this is done via the evaluation logic of the (pre) evaluation unit 17 and the serial interface 18th to the control unit 20th forwarded or transmitted. In the control unit 20th the software filter is implemented, which, based on the (indirect) current measurement, identifies the load or overload situation as a possible electrical malfunction of the electrical line 3 and / or the electrical load 2 certainly.

Für harte Kurzschlüsse ist die Fehlfunktionsabschalteinrichtung 19 als eine Art Schnellabschaltung implementiert. Diese kann direkt, das heißt ohne den zusätzlichen Kommunikationsweg über die Steuereinheit 20 bei harten, transienten Kurzschlüssen eine Sofortabschaltung des Halbleiterschalters 4 vornehmen, um so den Halbleiterschalter 4 und/oder die elektrische Last 2 vor Beschädigung zu schützen.The malfunction shutdown device is for hard short circuits 19th implemented as a kind of quick shutdown. This can be done directly, i.e. without the additional communication path via the control unit 20th In the event of hard, transient short circuits, the semiconductor switch is switched off immediately 4th make so as to the semiconductor switch 4th and / or the electrical load 2 to protect against damage.

Je nach Fahrzeugzustand, der beispielsweise über die Steuereinheit 20 und/oder den damit verbundenen Fahrzeug-Bus ermittelt wird, kann die Vorrichtung 1 nun zwischen dem ersten Sicherheitszustand und dem zweiten Sicherheitszustand wechseln, so dass der zu schaltende Sicherheitszustand je nach Fahrzeugzustand variabel beziehungsweise priorisierbar ist.Depending on the vehicle condition, for example via the control unit 20th and / or the associated vehicle bus is determined, the device can 1 now switch between the first safety state and the second safety state so that the safety state to be switched is variable or can be prioritized depending on the vehicle state.

Beispielhaft kann eine für einen möglichst funktionssicheren Fahrzeugbetrieb sinnvolle Priorisierung des ersten Sicherheitszustands und des zweiten Sicherheitszustands wie nachfolgend beschrieben ausgeführt werden.By way of example, a prioritization of the first safety state and the second safety state that is sensible for the most functionally reliable vehicle operation can be carried out as described below.

Als ein möglicher Fahrzeugzustand kommt die so genannte Aufwachphase des Fahrzeugs in Betracht. Hier ist vorgesehen, dass der erste Sicherheitszustand priorisiert und dementsprechend als einzunehmender Sicherheitszustand von der Steuereinheit 20 an den Schaltkreis 8 vorgegeben, das heißt vorbestimmt wird. In dieser Aufwachphase des Fahrzeugs erfolgen insbesondere eine Diagnose hinsichtlich einer elektrischen Fehlfunktion und gegebenenfalls eine Art Schnellabschaltung durch die Fehlfunktionsabschalteinrichtung 19. Es erfolgt zudem eine Diagnose der Ansteuerung des Halbleiterschalters 4.The so-called wake-up phase of the vehicle comes into consideration as a possible vehicle state. It is provided here that the first safety state is prioritized and accordingly as the safety state to be assumed by the control unit 20th to the circuit 8th is given, that is, predetermined. In this wake-up phase of the vehicle, in particular a diagnosis is made with regard to an electrical malfunction and possibly a type of rapid shutdown by the malfunction shutdown device 19th . There is also a diagnosis of the activation of the semiconductor switch 4th .

Während dieser Aufwachphase sorgen erfasste beziehungsweise diagnostizierte elektrische Fehlfunktionen dafür, dass der Halbleiterschalter 4 so lange ausgeschaltet bleibt, also im ersten Sicherheitszustand verbleibt, bis die Fehlfunktion behoben ist. Durch eine Rückkopplung der Vorrichtung 1, insbesondere der Steuereinheit 20 zu anderen Fahrzeugfunktionen wird auch der Eintritt in einen Fahrzyklus beziehungsweise in eine Fahrbereitschaft unterbunden, so dass das Fahrzeug nicht in den (Fahr-)Betrieb genommen werden kann. Wird dagegen keine elektrische Fehlfunktion erfasst beziehungsweise diagnostiziert, so erteilt die Vorrichtung 1, insbesondere die Steuereinheit 20 eine Freigabe zum Eintritt in den Fahrzyklus.During this wake-up phase, detected or diagnosed electrical malfunctions ensure that the semiconductor switch 4th remains switched off, i.e. remains in the first safety state, until the malfunction has been rectified. By a feedback of the device 1 , especially the control unit 20th For other vehicle functions, entry into a driving cycle or readiness to drive is prevented so that the vehicle cannot be put into (driving) operation. If, on the other hand, no electrical malfunction is detected or diagnosed, the device issues 1 , especially the control unit 20th a release to enter the driving cycle.

Anders gestaltet sich die Priorisierung im beispielhaften Fahrzeugzustand mit geschaltetem Plus („Klemme 15 an“) und bereits begonnenem Fahrzyklus. Denn in diesem Fahrzeugzustand hat bei verfügbarkeitsrelevanten Funktionen der Bordnetz-Komponente der zweite Sicherheitszustand Priorität und wird entsprechend von der Steuereinheit 20 an den Schaltkreis 8 vorgegeben.The prioritization is different in the exemplary vehicle state with switched plus ("Terminal 15 on") and the driving cycle already started. Because in this vehicle state, the second safety state has priority in the availability-relevant functions of the on-board network component and is accordingly controlled by the control unit 20th to the circuit 8th given.

Verfügbarkeitsrelevante Funktionen, wie beispielsweise Drive-by-Wire-Funktionen, sollen aus (Fahr-)Sicherheitsgründen in diesem Fahrzeugzustand eingeschaltet bleiben und müssen deshalb weiterhin funktionssicher mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Erfassung beziehungsweise Diagnose der elektrischen Fehlfunktion ist aber dennoch aktiv. Wird eine elektrische Fehlfunktion erfasst, so wird (trotzdem) in den zweiten Sicherheitszustand gewechselt beziehungsweise ein bereits geschalteter zweiter Sicherheitszustand (trotzdem) beibehalten. Jedoch wird die Fehlfunktion an die Steuereinheit 20 kommuniziert und dort gespeichert. Bei (zumindest temporären) Nichtvorliegen einer elektrischen Fehlfunktion verbleibt der Halbleiterschalter 4 so lange im zweiten Sicherheitszustand, solange keine (transiente) elektrische Überlast erfasst und der Halbleiterschalter 4 gegebenenfalls durch die Fehlfunktionsabschalteinrichtung 19 zeitlich zügig abgeschaltet wird. Die Steuereinheit 20 kann in Abhängigkeit einer darin abgespeicherten Steuerfunktion entscheiden, zu welchem Zeitpunkt oder bei welchem Ereignis in den ersten Sicherheitszustand gewechselt wird.Availability-relevant functions, such as drive-by-wire functions, should remain switched on in this vehicle state for (driving) safety reasons and must therefore continue to be reliably supplied with electrical energy. The detection or diagnosis of the electrical malfunction is still active. If an electrical malfunction is detected, a change is made to the second safety state (anyway) or an already switched second safety state is (anyway) retained. However, the malfunction is sent to the control unit 20th communicated and stored there. If an electrical malfunction does not exist (at least temporarily), the semiconductor switch remains 4th in the second safety state as long as no (transient) electrical overload is detected and the semiconductor switch 4th possibly by the malfunction shutdown device 19th is switched off quickly. The control unit 20th can decide, as a function of a control function stored therein, at what point in time or at what event a change is made to the first safety state.

Um den Halbleiterschalter 4 aber vor Beschädigung zu schützen, ist die Fehlfunktionsabschalteinrichtung 19 in jedem Fall aktiv, da bei einem zeitlich zu langsamen Abschalten des Halbleiterschalters 4 dieser beschädigt werden könnte. Als mögliche elektrische Fehlfunktion seien beispielhaft ein harter Kurzschluss oder ein interner Fehler, beispielsweise durch elektromagnetische Strahlung genannt. Liegt die Priorisierung nun auf dem zweiten Sicherheitszustand, in dem der Halbleiterschalter 4 eingeschaltet ist und bleiben soll, wird der Halbleiterschalter 4 zwar kurzzeitig in den ersten Sicherheitszustand (um-)geschaltet. Die Steuereinheit 20 veranlasst aufgrund der Priorisierung des zweiten Sicherheitszustands aber ein rasches Umschalten (zurück) in den ersten Sicherheitszustand. Dies kann vergleichsweise zügig erfolgen, nämlich etwa in 50 bis 150 µs, vorzugsweise in etwa 100 µs. Nur dann, wenn die elektrische Fehlfunktion nochmals auftritt und die Fehlfunktionsabschalteinrichtung 19 den Halbleiterschalter 4 (automatisch) in den ersten Sicherheitszustand schaltet, wird dauerhaft der erste Sicherheitszustand eingenommen und gegebenenfalls priorisiert.To the semiconductor switch 4th but to protect against damage is the malfunction shutdown device 19th always active, since the semiconductor switch is switched off too slowly over time 4th this could be damaged. A hard short circuit or an internal fault, for example due to electromagnetic radiation, may be mentioned as possible electrical malfunctions. If the prioritization is now on the second safety state in which the semiconductor switch 4th is switched on and should remain, the semiconductor switch 4th briefly switched to the first safety state. The control unit 20th However, based on the prioritization of the second security state, it causes a rapid switchover (back) to the first security state. This can be done comparatively quickly, namely in about 50 to 150 microseconds, preferably in about 100 microseconds. Only if the electrical malfunction occurs again and the malfunction shutdown device 19th the semiconductor switch 4th (automatically) switches to the first security state, the first security state is permanently adopted and prioritized if necessary.

Auf diese Weise kann der Halbleiterschalter 4 in Abhängigkeit von der Erfassung einer elektrischen Fehlfunktion insbesondere durch die Fehlfunktionsabschalteinrichtung 19 in den ersten Sicherheitszustand geschaltet werden, in dem der Halbleiterschalter 4 (auch zwangsweise) ausgeschaltet ist.In this way, the semiconductor switch 4th as a function of the detection of an electrical malfunction, in particular by the malfunction shutdown device 19th be switched to the first safety state in which the semiconductor switch 4th (also forcibly) switched off.

Ferner kann ein Ansteuersignal der Fehlfunktionsabschalteinrichtung 19 aber durch die Steuereinheit 20 in Abhängigkeit von wenigstens einem vorbestimmten Fahrzeugzustand ersetzt beziehungsweise überlagert werden und dadurch der Halbleiterschalter 4 wahlweise (trotzdem) in den zweiten Sicherheitszustand geschaltet werden, in dem der Halbleiterschalter 4 eingeschaltet ist. Damit wird gewährleistet, dass einerseits eine zeitlich zügige Absicherung der Bordnetz-Komponente und des Halbleiterschalters 4 gegen eine transiente elektrische Überlast erfolgt, andererseits aber nicht wegen eines Einzelfehlers eine verfügbarkeitsrelevante Versorgung der Bordnetz-Komponente mit elektrischer Energie unterbleibt.Furthermore, a control signal of the malfunction shutdown device 19th but through the control unit 20th be replaced or superimposed depending on at least one predetermined vehicle state and thereby the semiconductor switch 4th optionally (anyway) switched to the second safety state in which the semiconductor switch 4th is switched on. This ensures that, on the one hand, the vehicle electrical system components and the semiconductor switch are protected quickly 4th takes place against a transient electrical overload, on the other hand, however, an availability-relevant supply of the on-board network component with electrical energy is not omitted because of a single fault.

Ausgehend von den dargestellten Ausführungsbeispielen können die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 und das erfindungsgemäße Verfahren in vielerlei Hinsicht abgewandelt werden.Based on the illustrated embodiments, the device according to the invention 1 and the method according to the invention can be modified in many ways.

Beispielsweise ist denkbar, dass mehr als zwei Fahrzeugzustände vorbestimmt und/oder ermittelt werden, die unterschiedlich stark priorisiert werden. Es ist auch nicht zwingend notwendig, dass der Schaltkreis 8 als ASIC ausgeführt ist. Es muss auch nicht zwingend ein Software-Filter zur Auswertung einer möglichen elektrischen Fehlfunktion verwendet werden. Vielmehr kann hierfür ein elektronisches Bauelement vorgesehen sein, beispielsweise eine Kippstufe, ein Komparator oder dergleichen.For example, it is conceivable that more than two vehicle states are predetermined and / or determined, which are prioritized differently. It is also not absolutely necessary that the circuit 8th is designed as an ASIC. It is also not absolutely necessary to use a software filter to evaluate a possible electrical malfunction. Rather, an electronic component can be provided for this, for example a flip-flop, a comparator or the like.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Vorrichtungcontraption
2, 2a2, 2a
elektrischer Verbraucher / elektrische Lastelectrical consumer / electrical load
3, 3a3, 3a
elektrische Leitungelectrical line
4, 4a4, 4a
HalbleiterschalterSemiconductor switch
5, 5a5, 5a
Drain-AnschlussDrain connection
6, 6a6, 6a
Source-AnschlussSource connector
7, 7a7, 7a
Gate / Gate-AnschlussGate / Gate connection
88th
SchaltkreisCircuit
9, 9a9, 9a
ErfassungseinrichtungDetection device
10, 10a10, 10a
erster Zweigfirst branch
11, 11a11, 11a
zweiter Zweigsecond branch
12, 12a12, 12a
DifferenzverstärkerDifferential amplifier
1313th
Analog-Digital-WandlerAnalog-to-digital converter
14, 14a14, 14a
AnsteuereinrichtungControl device
15, 15a15, 15a
Gate-TreiberGate driver
16, 16a16, 16a
LadungspumpeCharge pump
1717th
AuswerteinheitEvaluation unit
1818th
serielle Schnittstelleserial interface
19, 19a19, 19a
FehlfunktionsabschalteinrichtungMalfunction shutdown device
2020th
SteuereinheitControl unit
2121
Fahrzeug-BussystemVehicle bus system

Claims (13)

Vorrichtung (1) zum Absichern von wenigstens einer sicherheitsrelevanten Bordnetz-Komponente (2, 3) eines Fahrzeug-Bordnetzes, aufweisend: - wenigstens einen Halbleiterschalter (4), der mit der wenigstens einen Bordnetz-Komponente (2, 3) elektrisch leitfähig verbunden ist, - einen Schaltkreis (8), der mit dem Halbleiterschalter (4) elektrisch leitfähig verbunden ist und der eine Erfassungseinrichtung (9) zur Erfassung einer elektrischen Fehlfunktion des Fahrzeug-Bordnetzes sowie eine Ansteuereinrichtung (14) zum Ansteuern des Halbleiterschalters (4) aufweist, und - eine Steuereinheit (20), die zumindest mit dem Schaltkreis (8) kommunikationsfähig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) dazu eingerichtet ist, - den Halbleiterschalter (4) in Abhängigkeit von der Erfassung einer vorbestimmten elektrischen Fehlfunktion in einen ersten Sicherheitszustand, in dem der Halbleiterschalter (4) ausgeschaltet ist, zu schalten, um die Bordnetz-Komponente (2, 3) vor elektrischen Überlasten zu schützen, und ferner - in Abhängigkeit von einer transienten zweiten elektrischen Fehlfunktion und wenigstens einem vorbestimmten Fahrzeugzustand in einen zweiten Sicherheitszustand zu schalten, in dem der Halbleiterschalter (4) eingeschaltet ist, um eine verfügbarkeitsrelevante Versorgung der Bordnetz-Komponente (2, 3) sicherzustellen, und ferner dass der Schaltkreis (8) eine Fehlfunktionsabschalteinrichtung (19) aufweist, die eingerichtet ist, den Halbleiterschalter (4) in Abhängigkeit von der Erfassung einer dritten elektrischen Fehlfunktion zeitweise für etwa 50 µs bis etwa 150 µs in den ersten Sicherheitszustand zwangszuschalten.Device (1) for protecting at least one safety-relevant electrical system component (2, 3) of a vehicle electrical system, comprising: - at least one semiconductor switch (4) which is electrically conductively connected to the at least one electrical system component (2, 3) - A circuit (8) which is electrically conductively connected to the semiconductor switch (4) and which has a detection device (9) for detecting an electrical malfunction of the vehicle electrical system and a control device (14) for controlling the semiconductor switch (4), and - a control unit (20) which is at least connected to the circuit (8) so as to be able to communicate, characterized in that the device (1) is set up to put the semiconductor switch (4) in a first safety state as a function of the detection of a predetermined electrical malfunction , in which the semiconductor switch (4) is switched off, to switch to protect the electrical system components (2, 3) from electrical overloads, and further - depending on a transient second electrical malfunction and at least one predetermined vehicle state in a second safety state to switch, in which the semiconductor switch (4) is switched on in order to ensure an availability-relevant supply of the vehicle electrical system components (2, 3), and further that the circuit (8) has a malfunction shutdown device (19) which is set up to the semiconductor switch ( 4) depending on the detection of a third electrical malfunction ze Forced to switch to the first safety state for about 50 µs to about 150 µs. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sicherheitszustand oder der zweite Sicherheitszustand durch die Steuereinheit (20) in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Fahrzeugzustand priorisiert sind.Device (1) according to Claim 1 , characterized in that the first safety state or the second safety state are prioritized by the control unit (20) as a function of the at least one vehicle state. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) dazu eingerichtet ist, ein Ansteuersignal des Schaltkreises (8) durch die Steuereinheit (20) wahlweise zu ersetzen, um den Halbleiterschalter (4) in den zweiten Sicherheitszustand zwangszuschalten.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the device (1) is set up to optionally replace a control signal of the circuit (8) by the control unit (20) in order to put the semiconductor switch (4) in the second safety state forced to switch. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (9) dazu eingerichtet ist, einen Spannungsabfall (UDS-On) an dem Halbleiterschalter (4) zu erfassen.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the detection device (9) is set up to detect a voltage drop (U DS-On ) on the semiconductor switch (4). Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (9) einen Differenzverstärker (12) sowie eine davon gespeiste Auswerteeinheit (17) für die Erfassung einer elektrischen Fehlfunktion umfasst.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the detection device (9) comprises a differential amplifier (12) and an evaluation unit (17) fed by it for the detection of an electrical malfunction. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (14) einen Gate-Treiber (15) umfasst.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the control device (14) comprises a gate driver (15). Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis (8) ein integrierter Schaltkreis, insbesondere ein ASIC ist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit (8) is an integrated circuit, in particular an ASIC. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (20) ein Mikrocontroller ist, der dazu eingerichtet ist, eine Vielzahl von Fahrzeugzuständen zu ermitteln.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit (20) is a microcontroller which is set up to determine a plurality of vehicle states. Verfahren zum Absichern von wenigstens einer sicherheitsrelevanten Bordnetz-Komponente (2, 3) eines Fahrzeug-Bordnetzes, umfassend: - Vorsehen von wenigstens einem Halbleiterschalter (4), der mit der wenigstens einen Bordnetz-Komponente (2, 3) elektrisch leitfähig verbunden ist, - Vorsehen von einem Schaltkreis (8), der mit dem Halbleiterschalter (4) elektrisch leitfähig verbunden ist und der eine Erfassungseinrichtung (9) zur Erfassung einer elektrischen Fehlfunktion des Fahrzeug-Bordnetzes sowie eine Ansteuereinrichtung (14) zum Ansteuern des Halbleiterschalters (4) aufweist, und - Vorsehen von einer Steuereinheit (20), die zumindest mit dem Schaltkreis (8) kommunikationsfähig verbunden ist, - dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (4) in Abhängigkeit von der Erfassung einer vorbestimmten elektrischen Fehlfunktion in einen ersten Sicherheitszustand, in dem der Halbleiterschalter (4) ausgeschaltet ist, schaltet, um die Bordnetz-Komponente (2, 3) vor elektrischen Überlasten zu schützen, und ferner in Abhängigkeit von einer transienten zweiten elektrischen Fehlfunktion und wenigstens einem vorbestimmten Fahrzeugzustand in einen zweiten Sicherheitszustand geschaltet wird, in dem der Halbleiterschalter (4) eingeschaltet ist, um eine verfügbarkeitsrelevante Versorgung der Bordnetz-Komponente (2, 3) sicherzustellen, und ferner der eine Fehlfunktionsabschalteinrichtung (19) aufweisende Schaltkreis (8) den Halbleiterschalter (4) in Abhängigkeit von der Erfassung einer dritten elektrischen Fehlfunktion zeitweise für etwa 50 µs bis etwa 150 µs in den ersten Sicherheitszustand zwangsschaltet.A method for protecting at least one safety-relevant electrical system component (2, 3) of a vehicle electrical system, comprising: - providing at least one semiconductor switch (4) which is electrically conductively connected to the at least one electrical system component (2, 3), - Provision of a circuit (8) which is electrically conductively connected to the semiconductor switch (4) and which has a detection device (9) for detecting an electrical malfunction of the vehicle electrical system and a control device (14) for controlling the semiconductor switch (4) - Provision of a control unit (20) which is at least connected to the circuit (8) capable of communication, - characterized in that the semiconductor switch (4) in a first safety state in which the Semiconductor switch (4) is switched off, switches to the electrical system components (2, 3) from electrical overload en to protect, and also depending on a transient second electrical malfunction and at least one predetermined vehicle state is switched to a second safety state in which the semiconductor switch (4) is switched on in order to ensure an availability-relevant supply of the electrical system components (2, 3) , and furthermore the circuit (8) having a malfunction disconnection device (19) forcibly switches the semiconductor switch (4) into the first safety state for about 50 microseconds to about 150 microseconds depending on the detection of a third electrical malfunction. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sicherheitszustand oder der zweite Sicherheitszustand in Abhängigkeit des wenigstens einen Fahrzeugzustands priorisiert werden.Procedure according to Claim 9 , characterized in that the first safety state or the second safety state are prioritized as a function of the at least one vehicle state. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (4) in Abhängigkeit von der Erfassung einer elektrischen Fehlfunktion zumindest zeitweise in den ersten Sicherheitszustand zwangsgeschaltet wird.Procedure according to Claim 9 or 10 , characterized in that the semiconductor switch (4) is forcibly switched to the first safety state at least temporarily as a function of the detection of an electrical malfunction. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ansteuersignal des Schaltkreises (8) durch die Steuereinheit (20) in Abhängigkeit des wenigstens einen vorbestimmten Fahrzeugzustands wahlweise ersetzt wird, um den Halbleiterschalter (4) zumindest zeitweise in den zweiten Sicherheitszustand zwangszuschalten.Method according to one of the Claims 9 until 11 , characterized in that a control signal of the circuit (8) is optionally replaced by the control unit (20) depending on the at least one predetermined vehicle state in order to forcibly switch the semiconductor switch (4) at least temporarily to the second safety state. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des wenigstens einen Fahrzeugzustands zumindest einmalig von dem zwangsgeschalteten ersten Sicherheitszustand in den zweiten Sicherheitszustand geschaltet wird und nur beim erneuten Erfassen derselben elektrischen Fehlfunktion wieder in den ersten Sicherheitszustand geschaltet wird.Method according to one of the Claims 10 until 12th , characterized in that, depending on the at least one vehicle state, the first safety state is switched to the second safety state at least once and the first safety state is only switched back to when the same electrical malfunction is detected again.
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